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实验三铁碳合金平衡组织观察•一、实验目的•1、识别和研究铁碳合金(碳钢和白口铸铁)在平衡状态下的显微组织；•2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。•二、概述•铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。铁碳合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下(如退火状态)所得到的组织，其相变过程均按Fe—Fe3C相图进行，所以我们可以根据该相图来分析铁碳合金的平衡组织。图3—1Fe—Fe3C相图如图3—1所示，所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均由铁素体（F）和渗碳体（FeC）这两个基本相所组成。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量、析出条件以及分布情况各有所不同，因而呈各种不同的组织形态，见表4—1。碳钢和白口铸铁在金相显微镜下具有下面几种基本组织：表4—1各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量（C％）显微组织浸蚀剂纯铁0.02铁素体4％硝酸酒精溶液碳钢亚共析钢0.02—0.77铁素体+珠光体4％硝酸酒精溶液共析钢0.8珠光体4％硝酸酒精溶液过共析钢0.8～2.06珠光体十二次渗碳体4％硝酸酒精溶液白口铸铁亚共晶白口铁2.06～4.3珠光体十二次渗碳体＋莱氏体4％硝酸酒精溶液共晶白口铁4.3莱氏体4％硝酸酒精溶液过共晶白口铁4.3—6.67莱氏体+一次渗碳体4％硝酸酒精溶液•（1）铁素体（F）是碳在—Fe中的固溶体，铁素体为体心立方晶格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低。用3—4％硝酸酒精熔液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒：亚共析钢中，铁素体呈块状分析；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围。•（2）渗碳体（FeC）是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为6．67％。当用3～4％硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。由此可区别铁素体与渗碳体。此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈观不同的形态：一次渗碳体(初生相)直接由液体中析出，在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体(次生相)从奥氏体巾析出，呈网络状沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈颗粒状。•（3）珠光休（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，浸蚀后可观察到两种不同的组织形态：•1）片状珠光体它是由铁素休与渗碳体交替排列形成的层片状组织，经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下，可以看到具存不同特征的层片状组织。在高倍放大时（照片4—1），能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素休和细条渗碳体。当放大倍数低时（照片4—2），由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时就只能看到一条黑线，它实际上就表示渗碳体。当组织较细而放大倍数更低时，珠光体片层就不能分辨，而呈黑色。•2）球状珠光体球状珠光休组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈暗黑色，如照片4—3。•上述各类组织组成物的机械性能见表4—2。•（4）莱氏体（L）室温时是珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合物。它是由含碳量为4.3％的液态共晶白口铸铁在1147℃共晶反应所形成的共晶体（奥氏体和共晶渗碳体）其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体，在723℃以下分解为珠光体。因此，莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠光体。表4—2各类组织组成物的机械性能性能组成物硬度抗拉强度断面收缩率相对延伸率冲击韧性HBb（MN/㎡）（%）（%）Ak（J）铁素体60～90120～23060～7540～50160渗碳体750～82030～35——0片状珠光体190～230860～90010～159～1224～32球状珠光体160～190650～75018～2518～2532～27•根据组织特点及碳含量的不同，铁碳合金可分：工业纯铁、钢和铸铁三大类。•（一）工业纯铁•含碳量0.02％的铁碳合金通常称称为业纯铁，它分为两相组织，即由铁素体和三次渗碳体组成。照片4—4所示为工业纯铁的显微组织。其中黑色线条是铁素体的晶界、而亮白色基体是铁素体的不规则等轴晶粒。在晶界上存在少量三次渗碳，呈现出白色的不连续的网状，由于量少，有时看不出。•（二）钢的部份•1、亚共析钢•亚共析钢的含碳量在0.02～0.8％范围内，其组织由铁素体和珠光体所组成，随着含量的加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，照片4—5、4—6为亚共析钢的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。两者的相对量可由杠杆定律求得，例如：含碳量为0.45％的钢（45钢）其珠光体的相对含量为P（％）＝＝56％，铁素体的相对含量为F（％）＝100％＝44％。•另外，直接在显微镜下观察珠光体和铁素体各自所占面积的百分数，可近似地计算出钢的含碳量。例如：在显微镜下观察到有50％的面积为珠光体，50％的面积为铁素体，则此钢的含碳量C％＝＝0.4％（室温下铁素体含碳量极微，约为0.0008％，可忽略不计）即相当于40钢。•2、共析钢•含碳量力0.8％碳钢，称为共析钢，由单一的珠光体组成，其显微组织如图所示。•3、过共析钢•含碳量超过0.8％碳钢称为过共析钢。它在室温下的组织由珠光体和二次渗碳体组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。照片—的含碳量1.2％的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体。经侵蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体则呈现白色网状。•若要根据显微组织来区分过共析钢的网状二次渗碳体和亚共析钢的网状铁素体，可采用苦味酸钠溶液来浸蚀，这样，是二次渗碳体就被染色呈黑色网状，而铁素体和珠光体仍保留白色晶粒，照片4—7b所示。•（三）铸铁•1、亚共晶白口铸铁•含碳量4.3％的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸铁的组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体，如照片4—8所示。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑，点状莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨。••2、共晶白口铁•共晶白口铸铁的含碳量为4.3％，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成．经浸蚀后，在显微镜下，珠光体呈暗黑色细条及斑点状，共晶渗碳体呈亮白色，如照片4—9所示。••3、过共晶白口铸铁•含碳量4.3％的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次渗碳体和莱氏体组成。用硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在暗色斑点状的莱氏体基体上分布着亮白色的粗大条片状的一次渗碳体，其显微组织如照片4—10所示。•三、实验方法指导•1、实验设备和材料•（1）金相显微镜；•（2）金相图册；•（3）各种铁碳合金的显微样品（表4—3）表4—3编号材料处理过程浸蚀剂放大倍数1工业纯铁退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～400220钢退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～400345钢退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～400465钢退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～4005T8钢退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～4006T12钢退火状态3～4％硝酸酒精溶液100～4007亚共晶白口铁铸造状态3～4％硝酸酒精溶液100～4008共晶白口铁铸造状态3～4％硝酸酒精溶液100～4009过共晶白口铁铸造状态3～4％硝酸酒精溶液100～4002、实验内容及步骤（1）实验前学生应复习讲课中的有关内容和阅读实验指导书，为实验做好理沦方面的准备；（2）在显微镜下观察和分析表4—3铁碳合金的平衡组织，识别钢和铸铁组织形态的特征，根据Fe—Fe3C相图分析各合金的形成过程；建立成分，组织之间相互关系的概念。（3）绘出所观察的显微组织示意图，画时应抓住组织形态的典型特征，并在图中表示出来。（4）根据显微组织近似确定亚共析钢的含碳量：C％＝1000008.0F1008.0P式中：P和F分别为珠光体和铁素体所占面积（％）。•四、实验报告要求•（1）实验目的；•（2）采集出所观察显微组织示照片，并注明材料名称、含碳量、浸蚀剂和放大倍数，并将组成物名称以箭头引出标明。•（3）根据所观察的显微组织近似确定一种亚共析钢的含碳量。•（4）分析和讨论：•含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响。•（5）实验后的感想和体会。1#铁素体1#铁素体2#铁素体+珠光体2#铁素体+珠光体3#铁素体+珠光体3#铁素体+珠光体4#铁素体+珠光体4#铁素体+珠光体5#珠光体5#珠光体6#珠光体+网状渗碳体6#珠光体+网状渗碳体7#珠光体十二次渗碳体＋莱氏体7#珠光体十二次渗碳体＋莱氏体8#莱氏体8#莱氏体9#一次渗碳体＋莱氏体9#一次渗碳体＋莱氏体